基于数据同化逼近的强台风边界层风场模拟研究.pdf

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1、硕士学位论文基于数据同化逼近的强台风边界层风场模拟研究STUDYONTHESIMULATIONOFSUPERTYPHOONS’BOUNDARYLAYERBASEDONTHENUDGINGDATAASSIMILATIONMETHOD范喜庆哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TU973+.32学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学硕士学位论文基于数据同化逼近的强台风边界层风场模拟研究硕士研究生：范喜庆导师：李朝副教授申请学位：工学硕士学科：土木工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2018年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学Clas

2、sifiedIndex:TU973+.32U.D.C:624AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringSTUDYONTHESIMULATIONOFSUPERTYPHOONS’BOUNDARYLAYERBASEDONTHENUDGINGDATAASSIMILATIONMETHODCandidate：FanXiqingSupervisor：AssociateProf.LiChaoAcademicDegr

3、eeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：CivilEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要台风是一种发生频率较高，破坏较为严重的自然灾害。我国地处太平洋西岸，是遭受台风影响最为严重的国家之一，超强台风的登陆会造成重大的经济损失，给人们的生产生活带来灾难。在土木工程领域，

4、为了分析台风荷载作用下结构的致灾机理，增强建筑物的防风抗灾能力，需要还原大气边界层近地区域的风场。而结构风工程中的计算流体力学方法仅适用于微小尺度风场模拟，而模拟台风场时边界条件难于确定，另一方面台风观测数据的取得往往不易，在此背景下，基于各种观测数据的再分析资料及区域降尺度常用的中尺度模式为这种还原提供了可能性。为了明确了采用中尺度模式模拟强台风场时的关键因素，本文基于新一代中尺度天气研究与预报模式WRF（WeatherResearchandForecast）进行模拟研究。首先设置了固定和移动嵌套的对比试验，验证了不同嵌套方式的适用特点，以及网格分辨率

5、对风速场的影响。其次着重考虑了物理过程中台风与海洋的热交换以及边界层方案。测试结果表明，耦合一维海洋混合层模型可以有效改善台风强度，而不同边界层参数化方案对路径和强度影响差异较大，路径偏离明显时，强度也会相应地偏离。为了控制模式的计算误差，本文将四维同化中的Nudging方法应用于超强台风“威马逊”和“彩虹”的模拟，并针对该方法的特点提出了“最优同化策略”的概念。首先对同化作用的水平区域进行了优化，然后对逼近变量和逼近强度的不同选择做了变更算例，方法上采用了格点逼近和谱逼近两种同化方法。结果表明，Nudging作用下，减小外层模拟域可以有效减小路径误差，

6、增大逼近强度也可以改善路径；变量选择上，同时逼近速度、温度的效果优于仅逼近速度的效果；方法上，谱逼近对路径的改善效果要优于格点逼近，可见谱逼近在热带气旋的动力降尺度中有较好的适用性。最后着眼于风工程应用，将前文的方法应用到强台风“天鸽”的后报模拟中，分析了“天鸽”的动力场和热力场，对比了深圳350米高测风塔上不同高度的风速、风向实测数据，并对不同位置的风剖面进行指数律拟合，还分析了台风条件下水平风切变的空间分布。结果表明，风速、风向误差有随高度升高而减小的趋势，风剖面指数有随着远离台风中心而增大的趋势，风切变大值主要分布在台风眼附近和地形突变处，需要重点

7、防范。关键词：强台风场；WRF模式；海洋混合层；Nudging方法；数据同化-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTyphoonisanaturaldisasterwithhighfrequencyandseriousdamage.LocatedinthewestbankofthePacificOcean,Chinaisoneofthecountriesaffectedbytyphoonseriously.Thelandfallsofsupertyphooncancausesignificanteconomiclossandbringhaz

8、ardtopeople'sproductionandlife.Inthefiel